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◎学习目标
- 掌握基本矩阵 \(E_{ij}\) 的定义与性质,理解其作为 \(M_{s\times n}(K)\) 的基的作用;
- 理解矩阵空间 \(M_{s\times n}(K)\) 的维数为 \(s \cdot n\),并能验证子空间的两个条件;
- 掌握对角矩阵的定义及其对加法和乘法的封闭性;
- 理解数量矩阵是与任何方阵可交换的特殊矩阵;
- 理解上三角矩阵的定义及其对乘法的封闭性;
- 掌握对角矩阵左乘、右乘一个矩阵时的几何意义(逐行/逐列缩放)。
1基本矩阵 \(E_{ij}\) ⏱ 03:20
类比向量空间中基本向量 \(e_1, e_2, \dots, e_n\)(第 \(i\) 个分量为 1,其余为 0),在矩阵空间中我们有类似的基本矩阵。
例如,\(E_{23}\) 是一个第二行第三列为 1、其余全为 0 的矩阵。⏱ 03:40
证明 \(\{E_{ij}\}\) 构成 \(M_{s\times n}(K)\) 的基
线性表出性:对任意 \(s \times n\) 矩阵 \(A = (a_{ij})\),可以写成
验证:右侧每个 \(a_{ij}E_{ij}\) 仅在 \((i,j)\) 位置有值 \(a_{ij}\),求和后恰好得到 \(A\) 的所有元素。⏱ 06:26
线性无关性:设 \(\sum_{i,j} k_{ij} E_{ij} = O\)(零矩阵),则左侧矩阵的第 \((i,j)\) 元为 \(k_{ij}\),故所有 \(k_{ij} = 0\)。⏱ 07:10
因此 \(\{E_{ij} \mid 1\leq i\leq s,\; 1\leq j\leq n\}\) 是 \(M_{s\times n}(K)\) 的一组基。
2矩阵空间的维数 ⏱ 08:35
由上述基的结果,立得:
这一结论非常重要:矩阵空间本质上是 \(sn\) 维的向量空间,每个矩阵由 \(sn\) 个独立参数(元素)唯一确定。⏱ 09:01
3对角矩阵及其运算 ⏱ 10:00
对角矩阵对加法和数乘构成子空间
非空:零矩阵是对角矩阵(所有 \(d_i = 0\))。⏱ 11:01
加法封闭:两个对角矩阵相加,对应主对角元相加,非对角元仍为 0,结果仍为对角矩阵。
数乘封闭:数量 \(k\) 乘对角矩阵,每个主对角元乘 \(k\),结果仍为对角矩阵。
故所有 \(n\) 级对角矩阵构成 \(M_n(K)\) 的一个子空间,其维数为 \(n\)(基为 \(E_{11}, E_{22}, \dots, E_{nn}\))。
对角矩阵左乘和右乘的规律
设 \(D = \mathrm{diag}(d_1, d_2, \dots, d_s)\) 为 \(s \times s\) 对角矩阵,\(A\) 为 \(s \times n\) 矩阵。
两个对角矩阵相乘仍是同阶对角矩阵,且乘法可交换:⏱ 13:00
4数量矩阵 ⏱ 16:20
数量矩阵是特殊的对角矩阵(所有对角元相等)。
所有数量矩阵组成的集合 \(\{kI \mid k \in K\}\) 也构成 \(M_n(K)\) 的一个一维子空间(同构于 \(K\) 本身)。
5上三角矩阵 ⏱ 20:01
- 加法封闭:两个上三角矩阵相加,主对角线下方的 0 仍为 0;
- 数乘封闭:数量乘以上三角矩阵,主对角线下方的 0 仍为 0;
- 非空:零矩阵是上三角矩阵。
上三角矩阵对乘法也封闭(两个上三角矩阵相乘仍是上三角矩阵),但这个证明需要仔细计算,留作练习。⏱ 20:56
验证:上三角矩阵相乘仍是上三角矩阵
设 \(A, B\) 均为上三角矩阵,即 \(a_{ij} = 0\;(i > j)\),\(b_{ij} = 0\;(i > j)\)。
考虑乘积 \(C = AB\) 的第 \((i,j)\) 元(\(i > j\) 时):
当 \(i > j\) 时,对每个 \(k\):
- 若 \(k < i\),则 \(a_{ik} = 0\)(因为 \(A\) 上三角);
- 若 \(k \geq i > j\),则 \(b_{kj} = 0\)(因为 \(B\) 上三角)。
因此每一项 \(a_{ik}b_{kj} = 0\),故 \(c_{ij} = 0\),即 \(AB\) 也是上三角矩阵。上三角矩阵对乘法封闭。⏱ 00:00(P57回顾)
★重点回顾
⚠易错提醒
- 混淆基本矩阵 \(E_{ij}\) 与数量矩阵:\(E_{ij}\) 只有一个元素为 1,而数量矩阵 \(kI\) 在所有对角元都是 \(k\),两者完全不同。
- 对角矩阵左乘/右乘的规律记混:左乘对角矩阵 \(\mathrm{diag}(d_1,\dots,d_s)\) 时,是逐行缩放(第 \(i\) 行乘 \(d_i\));右乘时是逐列缩放(第 \(j\) 列乘 \(d_j\))。
- 上三角矩阵≠对角矩阵:上三角矩阵主对角线上方可以有非零元,对角矩阵主对角线以外全部为 0,对角矩阵是上三角矩阵的特殊情况。
- 数量矩阵与单位矩阵混淆:单位矩阵 \(I\) 是数量矩阵 \(1\cdot I\) 的特殊情形;数量矩阵 \(kI\)(\(k \neq 1\))不是单位矩阵。
✎自我检测
- 写出 \(3 \times 2\) 矩阵空间 \(M_{3\times 2}(K)\) 的全部 6 个基本矩阵 \(E_{ij}\)(\(1\leq i\leq 3,\; 1\leq j\leq 2\)),并验证 \(\dim M_{3\times 2}(K) = 6\)。
- 设 \(A = \begin{pmatrix} 1&2&3\\4&5&6 \end{pmatrix}\),计算 \(D_1 A\) 和 \(A D_2\),其中 \(D_1 = \mathrm{diag}(2,3)\),\(D_2 = \mathrm{diag}(1,4,5)\),验证"左乘缩放行、右乘缩放列"的规律。
- 证明:所有 \(n\) 级对角矩阵构成的集合对矩阵乘法也封闭(即两个对角矩阵相乘仍是同阶对角矩阵)。
- 设 \(A\) 为上三角矩阵,证明 \(A^T\) 为下三角矩阵;并说明上三角矩阵与下三角矩阵的交集恰好是对角矩阵。
- (思考)数量矩阵 \(kI\) 与任意 \(n\) 级方阵 \(A\) 可交换这一性质,能否推出:若 \(B\) 与所有 \(n\) 级方阵都可交换,则 \(B\) 必为数量矩阵?(提示:取 \(B = E_{ij}\) 验证)
- (选做)验证:两个 \(n\) 级上三角矩阵相乘,结果仍为上三角矩阵(完成 P58 中未展开的证明)。